Российские ученые определили, как подложка изменяет свойства графена

Особенности оптического поглощения графена на различных подложках исследовал коллектив научных сотрудников МФТИ и Института биохимической физики (ИБХФ) им. Н. М. Эмануэля РАН, 28 февраля сообщает журнал МФТИ «За науку».

Ученые в ходе экспериментов установили, что расположение графена на подложке из гексагонального нитрида бора значительно увеличивает поглощение света, чего не происходит в случае других подложек.

Результаты исследования коллектив ученых представил в статье «Аномальный оптический отклик графена на гексагональных подложках из нитрида бора», опубликованной в журнале Communications Physics.

Графен, открытый в 2004 году выпускниками МФТИ Андреем Геймом и Константином Новоселовым, в настоящее время очень широко применяется в различных технологиях. При этом ученые продолжают исследовать возможности новых применений этого уникального материала.

Одним из полезных качеств графена является его способность эффективно преобразовывать свет в электрические сигналы. Это свойство могло бы быть использовано в фотодетекторах, однако большая часть света свободно проходит через одноатомный слой углерода в графене.

Ранее считалось, что поглощение графена, которое определяется его уникальным атомным строением и электронными свойствами, постоянно и равно 2,3% от падающего света.

Коллектив ученых из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ и ИБХФ РАН в течение нескольких лет изучал оптические свойства графена, располагая его на различных подложках (кварц, стекло, SiO2/Si), и во всех этих случаях поглощение света было одинаковым.

При этом шероховатость таких подложек была сравнима с толщиной самого графена, а их диэлектрические постоянные были значительно ниже таковых у гексагонального нитрида бора (hBN).

Научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Георгий Ермолаев пояснил суть нового эксперимента с подложками графена:

«В данной работе при помощи метода сухого переноса были получены гетероструктуры графен-hBN, графен-SiO2/Si. Затем мы изучили оптические свойства этих структур различными экспериментальными методами, которые показали, что в случае подложки из гексагонального нитрида бора графен поглощает значительно более высокое количество света».

При этом эксперименты подтвердили хорошую воспроизводимость полученных результатов поглощения.

С целью дополнительной проверки на золотой подложке была собрана конфигурация с гексагональным нитридом бора определенной толщины (150 нм). Это позволило создать область с топологической темнотой, в которой наблюдается повышенная чувствительность спектральной эллипсометрии — высокоточного метода исследования оптических свойств материалов.

Результаты эксперимента с топологической темнотой подтвердили ранее полученный эффект аномально большого поглощения света графеном на подложке из гексагонального нитрида бора по сравнению с остальными подложками.

Измерения спектральной эллипсометрии показали, что в случае подложки из гексагонального нитрида бора поглощение в графене увеличивается примерно на 60% в широком спектральном диапазоне (250–950 нм), что делает такую конструкцию перспективной для использования в фотонных приложениях, например, в фотодетектировании, модуляции, в сенсорах — там, где важно поглощение фотонов.

Эффект увеличения поглощения фотонов графеном в случае подложки из гексагонального нитрида бора исследователи объясняют электрон-электронным взаимодействием. Оно возникает из-за высокого статического диэлектрического отклика гексагонального нитрида бора, что показывает возможность изменения универсального оптического поглощения графена в диэлектрической среде.